FR2482789A1

FR2482789A1 - Perfectionnements apportes aux antennes constituees d'elements coaxiaux

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Publication number: FR2482789A1
Application number: FR8108974A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-05-13
Filing date: 1981-05-06
Publication date: 1981-11-20
Also published as: JPS56160102A; US4400702A; GB2076226B; GB2076226A; DE3118988A1

Abstract

ANTENNE COMPRENANT AU MOINS UN ELEMENT, CARACTERISE EN CE QUE LEDIT ELEMENT COMPORTE UNE PLURALITE DE SEGMENTS (14, 14...14), CHACUN DE CES SEGMENTS ETANT CONSTITUE D'UN CONDUCTEUR COAXIAL ET EN CE QUE LESDITS SEGMENTS DONT RELIES EN SERIE DE TELLE MANIERE QUE LE CONDUCTEUR INTERNE 1 DE L'UN DES SEGMENTS SOIT CONNECTE AU CONDUCTEUR EXTERNE 3 DU SEGMENT ADJACENT ET QUE LE CONDUCTEUR EXTERNE 3 D'UN SEGMENT SOIT CONNECTE AU CONDUCTEUR INTERNE 1 DE L'AUTRE SEGMENT.

Description

2482739.

La présente invention est relative à une antenne aérienne

et elle vise plus particulièrement une nouvelle structure perfec-

tionnée d'antenne qui permet d'obtenir une réduction importante

de la longueur et du volume occupés par l'antenne.

Il est courant de réaliser une antenne aérienne dont la. lon- gueur totale est sensiblement égale à une demi-longueur d'onde ou un quart de longueur d'onde, dans le cas d'une antenne à la terre, de l'onde électrique à traiter, étant donné qu'il est bien connu

que l'efficacité totale de l'antenne est réduite lorsqu'on uti-

IO lise une antenne plus courte. Dans le cas de traitement d'ondes

de grandes longueurs d'ondes, il existe donc un inconvénient rési-

dant dans la nécessité de prévoir un très grand espace pour l'an-

tenne comparé à l'espace nécessaire à l'émetteur ou au récepteur

ou bien de racourcir l'antenne au détriment de son efficacité.

On a proposé de réduire la longueur d'une antenne en y connectant

une réactance, cependant on n'a pas obtenu de cette façon une ré-

duction importante de longueur. Une telle théorie de base est décrite par exemple, dans 'Antenna Technology Handbook" édité par "The Japanese Institute of Electronic Communication" et publiée par Ohm-sha, Tokyo, en 1980. Avec les récents développements de la technique des composants électroniques, les émetteurs et les récepteurs sont devenus remarquablement petits et compacts et

m9me portables. Cependant il subsiste le problème de la réduc-

tion des dimensions de l'antenne, dont la solution est difficile

en raison des restrictions dues à la théorie ci-dessus.

Le Demandeur a découvert que l'on pouvait réduire de façon remarquable la longueur et le volume occupés par une antenne

aérienne, en divisant chaque élément de cette antenne en une plu-

ralité de segments constitués de conducteurs coaxiaux et en re-

3 liant de façon appropriée, les conducteurs intérieur et extérieur

des segments respectifs. Plus particulièrement, une antenne aé-

rienne selon la présente invention comprend une pluralité de seg-

Taents constitués de lignes coaxiales respectivement reliées en

série, les conducteurs intérieur et extérieur de chacune des li-

nes coaxiales, se raccordant à chaque point de connection,étant connectes respectivement aux conducteurs externe

et interne de l'autre ligne coaxiale.

L'autres caractéristiques et avantages de cette invention

ressortiront de la description faite ci-après en référence aux

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dessins annexés qui en illustrent divers exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins:

- la figure 1 est une vue schématique représentant une struc-

ture de lignes ou de conducteurs coaxiaux mise en oeuvre dans les antennes selon cette invention; - la figure 2 est une vue schématique illustrant un mode de réalisation d'une antenne -selon cette invention; - la figure 3 est une vue schématique représentant un circuit d'adaptation utilisé dans les différents modes de réalisation d'une antenne selon l'invention; - les figures 4 à 10 sont des vues schématiques représentant

d'autres exemples de réalisation d'antennes selon cette inven-

tion - les figures Il et 12 sont des vues en perspective, illustrant deux exemples d'arrangement pratique des antennes selon les figures 1 et 5 respectivement;

- les figures 13 et 14 sont des vues schématiques en perspec-

tive représentant deux exemples de réalisation d'antennes

logarithmiques mettant en oeuvre le principe de cette inven-

tion, et

- les figures 15a et 15b sont des vues en perspective repré-

sentant des antennes périodiques logarithmiques selon la tech-

nique antérieure, correspondant respectivement aux exemples

de réalisation représentés sur les figures 14 et 13.

Sur toutes les figures, les composants correspondant ont été

désignés par les mêmes références.

En se référant à la figure 1, on y voit la structure d'un câble coaxial disponible dans le commerce, qui est utilisé comme matériau de base pour constituer les éléments d'antennes produits expérimentalement selon cette invention. Cette structure comprend un conducteur interne 1, un isolant interne en polyethylène 2, un conducteur extérieur 3 et un isolant externe 4 en chlorure de polyvinyle. On a utilisé à titre d'essais, deux sortes de câble

axial, respectivement des types "3C 2V" et "1,5D 2V". Le conduc-

teur interne du premier est un câble de cuivre mou de 0,5 mm de diamètre et celui du dernier est un câble tressé comprenant sept fils de cuivre mou de 0,18 mm, alors que les conducteurs extérieurs des deux câbles coaxiaux sont constitués par des tresses uniques de fils de cuivre mou. On a donné dans le tableau ci-après, un certain nombre de paramètres relatifs aux isolants interne et externe 2 et 4, selon les normes japonaises standards Isolateur Interne Isolateur Externe - m (______-- _______)__ (m___________)__ _______________ Type Diamètre extérieur Epaisseur Diamètre externe (mm) (mm) (mm)

3C 2V 3,1 1,0 5,8

1,5D 2V 1,6 0,4 2,9

Les deux types de câbles axiaux présentent le même facteur

de réduction de longueur d'onde égal à 0,67.

La figure 2 représente, dans sa conception générale, une antenne à la masse selon un premier exemple de réalisation de cette invention, pour une fréquence de signal de 14.300 KHz. Un câble

d'alimentation (un câble coaxial présentant une impédance carac-

téristique de 50 ohms), provenant d'un émetteur (non représenté) est raccordé à la masse par un conducteur, par l'intermédiaire d'un circuit d'adaptation 12 à un conducteur intérieur 1 d'un

premier segment 141 de l'élément d'antenne par l'autre conducteur.

Comme on peut le voir sur la figure 3, le circuit d'adaptation 12

comporte un circuit LC avec une impédance L reliée entre une pre-

mière entrée 5 et une sortie 7 et une capacité C, reliée entre

une seconde entrée 6, à la terre, et la sortie 7. L'élément d'an-

tenne est divisée en six segments ou brins 141 à 14e, qui sont reliés en série et disposés en parallèle dans une même place avec un intervalle constant D égal à 2 cm. Chacun des segments ou brins consiste en un câble coaxial du type 3C 2V ayant la même longueur H de 50 cm. Aux extrémités des segments raccordés, les conducteurs interne et externe 1 et 3 d'un câble coaxial sont respectivement reliés aux conducteurs externe et interne 3 et 1 de l'autre câble à l'aide de conducteurs 16 (appelés ciaprès "connexions inverses") et les conducteurs interne et externe 1 et 3 sont raccourcis à l'extrémité 18. Par conséquent, la longur totale de l'élément eBt de 300 cm ce qui est un peu plus court que les 350 cm obtenue en multipliant un quart de longueur d'onde de 520 cm pour la fréquence utilisée, par le facteur de réduction de longueur d'onde de 0, 67. Ceci constitue un résultat de réglage pour égaliser la fréquence employée par rapport à la fréquence

des résonnances.

L'impedance de sortie de cette antenne a été mesurée comme

étant de 155 ohms. Afin de réaliser une adaptation avec le con-

ducteur d'alimentation 10 ayant une impédance caractéristique de ohms, les éléments du circuit d'adaptation 12 ont été choisis avec les valeurs suivantes: L = 0,8/u H et C = 107 p F. Lorsque l'antenne était alimentée en énergie dans de telles

conditions, le rapport tension/onde permanente mesuré était in-

férieur à 1,05.

Le facteur de qualité Q de la bobine L du circuit d'adapta-

tion 12 étant égal à 105, sa résistance calculée était de 0,7 ohm et la perte du câble coaxial 3C 2V de l'antenne était de 0,05dB/

mètre pour une fréquence de 15 1Hz. Ces valeurs sont négligeable-

ment petites par rapport aux résistances de masse et de rayonne-

ment. Par conséquent, l'efficacité totale de l'antenne n'est pas affectée par la miniaturisation selon cette invention étant donné qu'elle n'est fonction que de la résistance de masse. Par contre la longueur totale de 530 cm de l'antenne quart d'onde verticale à la terre, selon la technique antérieure a été réduite de plus

d'1/10 grâce à cette invention..

On estime que les raisons pour lesquelles l'antenne selon cette invention joue les m8mes fonctions que ls antennes selon l'état antérieur de la technique sont les suivantes A l'extrémité inférieure du brin 141 qui constitue le point d'alimentation de l'antenne, il s'effectue une transformation équilibre/deséquilibre et un courant non équilibré circule au travers du brin 141. A chaque point de connexion, s'effectue :une transformation deséquilibre-équilibre-deséquilibre et un courant non équilibré circule au travers du brin suivant. Par conséquent, des courants non-équilibrés de même phase circulent au travers des brins respectifs, étant donné qu'il se produit une inversion de phase du courant avec l'inversion du sens du brin. s '-i La figure 4 est une vue schématiqueA la figure 2, qui

montre une antenne à la terre selon un second exemple de réali-

sation de cette invention, utilisée avec une fréquence de 52 EHz. Dans ce mode de réalisation, l'élément d'antenne est

constitué de trois brins 141, 142 et 14 3 ayant chacun une lon-

gueur H de 29 cm et d'un brin 144 ayant une longueur H4 de 10 cm.

Les brins respectifs sont connectés séquentiellement de façon "inverse" et l'extrémité finale 18 est en court-circuit. Lesbrins sont constitués de cables coaxiaux 1,5D 2V et ils sont disposés

à intervalles égaux D = 1 cm. L'impédance d'entrée de cette an-

tenne a été mesurée comme étant de 185 ohms. Lorsque le circuit d'adaptation 12 était constitué par L = 0,25 /u I et c = 27 pF le rapport ténsion/onde permanente mesuré était inférieur à 1,1

dans un domaine de fréquence de 49 à 54 MHz.

Lorsque le facteur de qualité Q de la bobine L était de 83, la résistance de la bobine de 1 ohm, la perte de-cable coaxial

était inférieure à 0,3 d B/mètre. Par conséquent, il ne se pro-

duit aucune diminution de l'efficacité totale. Par ailleurs, la longueur de l'antenne a été réduite à 29 cm ce qui représente environ le 1/5 de la longueur nécessaire de l'ordre de 150 cm,

d'une antenne quart d'onde verticale à la masse.

La figure 5 est une vue similaire d'un troisième mode de

réalisation d'une antenne à la terre selon cette invention utili-

sée à une fréquence de 145 MHz. L'élément de cette antenne est composé de onze morceaux de cable coaxial 1,5 D2V ayant chacun

une longueur H de 5 cm. Les brins respectifs 141 à 141, sont con-

nectés de "façon inverse" et les conducteurs interne et externe

à l'extrémité finale 20 sont ouverts mais non en court-circuit.

Dans ce cas, la longueur totale de l'antenne est de 55 cm,1ce qui est un peu plus court que les 69 cm, qui représentent/produit du quart de longueur d'onde de 103 cm et du facteur de réduction de longueur d'onde de 0,67. Cependant la longueur de 5 cm du

brin, qui constitue la longueur pratique de l'antenne selon l'in-

vention, ne représente que le 1/10 environ de la longueur totale

des 50 cm d'une antenne quart d'onde selon la technique antéri-

eure. Lorsque les brins sont disposés dans un plan à un inter-

valle D = 7 mm, la totalité de l'antenne sera comprise dans une

petite surface de 5 x 7 cm2. L'impedance d'entrée de cette an-

tenne a été mesurée comme étant de 203 ohms. En utilisant un circuit d'adaptation avec L = 0,1/uH et C = 10 pF et avec une

puissance-d'alimentation similaire, le rapport tension/onde per-

manente était inférieure à 1,1, dans un domaine de fréquence de 144 à 146 FiEz. Lorsque le facteur Q de la bobine L était égal à , la résistance de la bobine étant de 1 ohm, la perte du câble coaxial était de 0,4 d B/mètre. Ces valeurs ne réduisent nullement

l'efficacité et le rendement total de l'antenne.

La figure 6 illustre un quatrième exemple de réalisation d'une antenne selon cette invention, utilisée à une fréquence de 52 14Ez. Cette figure 6 constitue une vue similaire d'une antenne non à la terre qui correspond à l'antenne à la masse, représentée

sur la figure 4. Dans cette antenne, une paire d'éléments, com-

-posés chacun de la même façon que les éléments de l'antenne de la figure 4, sont disposés en regard les uns des autres. Bien que l'impédance d'entrée de cette antenne soit supposée être deux fois plus petite que l'impédance d'entrée de l'antenne à la masse de la figure 4, elle a été mesurée comme étant de 452 ohms. Le

circuit d'adaptation 12 était nécessaire dans le cas d'une ali-

mentation avec un câble coaxial de 50 ohms, mais l'efficacité ou le rendement total était de l'ordre de 10ò/o étant donné que les

pertes d'adaptation étaient également négligeables.

Dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, les brins ou segments respectifs de l'élément d'antenne ont été représentés rectilignes et parallèles les uns aux autres. Cependant, on peut s'attendre aux mêmes effets lorsque les brins de l'antenne sont disposés de façon que les courants non équilibrés circulent au

travers de toute l'antenne même s'ils sont pliés ou incurvés.

La figure 7 illustre un cinquième mode de réalisation d'une antenne selon cette invention, utilisée à une fréquence de 145 MHz, les éléments de cette antenne étant constitués de huit brins 141 à 148, réalisés à l'aide de câbles coaxiaux 1,5 D2V. Les brins

143, 145 et 147 sont repliés selon un angle de 600 en leurs mi-

lieux respectifs 261, 262 et 263 et ils sont disposés de façon à

former des triangles réguliers empilés en hélice, ayant une lon-

gueur latérale S de 5 cm et un pas D d'un centimètre. La longueur

du dernier brin 148 est d-' n Centimètre. Les brins sont successi-

vement "connectés de façon inverse" comme indiqué ci-dessus; les, conducteurs 221 à 224 et 241 à 24, présentant chacun une longueur

W de l'ordre de 7 mm et l'extrémité finale 20 est ouverte.

Le fait que les courants non-équilibrés de même phase tendent à Circuler au travers de tous les brins de cet élément d'antenne peut s'expliquer de la même façon que dans l'exemple de réalisation

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de la figure 2. Les champs électriques induits par les paires des côtés des brins repliés 141, 14k, 145 et 147 sont combinés à une grande distance et ils commencent à présenter la même phase que celle du champ électrique induit par les brins 142, 144, 146 et 148, si bien que tous les brins fonctionnent comme un élément d'antenne unique. On considère que cette antenne constitue une variante de l'antenne représentée à la figure 5 et-elle présente

une impédance d'entrée de 207 ohms. Bien qu'elle puisse fonction-

ner de la même façon que l'antenne de la figure 5, elle peut être

avantageuse en raison de son nombre inférieur de brins.

La figure 8 illustre une variante de l'exemple de réalisa-

tion de la figure 7, la fréquence applicable et la constitution

des brins étant les mêmes que celles de l'antenne de la figure 7.

Cette antenne présente la forme de carrés hélicoïdaux ayant une longueur latérale S de 5 cm -et un pas D d'1 cm. Des "connexions inverses" sont réalisées uniquement aux deux extrémités des côtés 281 et 282 des carrés respectivement, avec des conducteurs ayant chacun une longueur W de l'ordre de 7 mm, et l'extrémité finale

est ouverte. Cette antenne, dont chaque autre brin possède cha-

cun deux points repliés, est théoriquement similaire à celle représentée sur la figure 7. L'impedLance d'entrée mesurée était

de 305 ohms et son fonctionnement était similaire à celui de -

l'antenne de la figure 7.

La figure 9 représente encore un autre exemple deréalisa-

tion dans lequel un câble coaxial est formé en hélice/coupé aux deux extrémités des diamètres et ensuite les conducteurs interne et externe sont respectivement connectés de façon inverse aux

points de coupe respectif. Etant donné que l'on obtient une an-

tenne équivalente à celles décrites ci-dessus comportant des

brins rectilignes qui sont alternativement recourbés selon des.

arcs circulaires, alternativement dans des directions opposées, on peut obtenir les mêmes résultats que ceux obtenus par les

antennes des figures 7 et 8.

La figure 10 illustre une autre variante obtenue en recour-

bant les brins rectilignes, comme mentionné ci-dessus, afin

d'obtenir des arcs circulaires avec la même orientation. Le fonc-

tionnement est identique.

On peut encore envisager diverses variantes et modifications

des structures d'antenne selon cette invention. Par exemple, -

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dans les exemples de réalisation représentés sur les figures 9 et 10, les brins peuvent être recourbés selon toute autre forme

que celle d'arcs circulaires, par exemple selon un contour poly-

gonal. Dans la description qui précède on a indiqué l'utilisa-

tion d'un câble coaxial disponible dans le commerce pour réaliser les éléments d'antenne. On peut évidemment utiliser tout autre type de câble pour réaliser les brins de l'antenne, y compris ceux qui utilisent de l'air comme isolant, pour autant qu'ils

constituent des câbles coaxiaux. Eventuellement l'isolant exté-

rieur 4 (figure 1) peut être supprimé.

Lorsque l'on met en oeuvre les antennes selon cette inven-

tion, il est nécessaire d'en fixer les brins ou éléments respec-

tifs sur un bâti ou support approprié. La figure Il représente un exemple de réalisation d'un tel support, dans lequel les brins 14 sont montés à l'aidé de fixations 52 sur des bras horizontaux qui de leur côté sont fixés sur un poteau vertical 34. Des

brins rectilignes peuvent ne pas être seulement disposés en paral-

lèle sur un plan comme représenté sur la figure 11, mais ils peu-

vent être disposés circulairement autour d'une bobine isolante 36 et maintenus par un collier 38, comme représenté sur la figure 12. Une telle structure est plus facile à supporter lorsqu'elle est enfermée dans une enveloppé dielectrique appropriée. On peut envisager un grand nombre de systèmes de support des antennes

selon cette invention. Ces sysbbmes ne faisant partie de l'inven-

tion, il ne paraît pas utile de les décrire ici.

Les figures 13 et 14 sont des vues schématiques d'antennes logarithmiques comportant des éléments, composés chacun d'une pluralité de brins qui sont fixés de la manière représentée sur

la figure 12.

L'exemple de réalisation représenté sur la figure 13 corres-

pond à une antenne selon la technique antérieure représentée sur la figure 15b. Cette antenne comporte des éléments d'antenne 40, composés chacun de six câbles coaxiaux 1,5 D2V ayant la même longueur et dont l'extrémité finale est raccourcie. Les longueurs

H et les intervalles L des éléments respectifs sont les suivants.

Longueurs (H) des éléments , et 401î 4,7 cm 402 et 402' 6,5 cm et 405' cm 404 et 404' 12,5 cm 405 et 405' 17,2 cm Intervalles (L) des éléments Li 2, 2 cm L2 3,0 cm L = 4,1 cm 4 = 5,7 cm L'angle d'ouverture 'des deux rangées d'éléments par rapport au point d'alimentation 42 est de.355. Une telle antenne présente une impédance d'entrée d'environ 600 ohms à une fréquence de MI-z et d'environ 850 ohms pour une fréquence de 150 MHz et elle fonctionne efficacement sur un domaine de fréquence de 45 à 350 Mhz. La longueur et l'intervalle des éléments de cette antenne sont de l'ordre de. 1/6 des valeurs correspondantes de l'antenne

selon la technique antérieure représentée sur la figure 15b.

La figure 14 illustre une variante de l'antenne décrite ci-dessus en référence à la figure 13, dans laquelle le nombre de brins constituant chaque élément 40 ou 40' est choisi égal à un nombre impair et o les conducteurs extérieurs des extrémités de départ et terminale des éléments raccordés sont couplés par des conducteurs 44. Cette antenne correspond à l'antenne selon la

technique antérieure représentée sur la figure 15a.

Bien que dans les antennes logarithmiques décrites ci-dessus, le nombre de brins des éléments respectifs soit le même et que leurs longueurs soient différentes, il est également possible de choisir le nombre de brins et les intervalles des éléments de

façon que tous les éléments aient la même longueur.

Comme on l'a décrit ci-dessus, cette invention peut s'appli-

quer non seulement aux antennes monopoles et bipoles mais égale-

ment aux éléments de tout autre type d'antenne tels que notamment les antennes périodiques-logarithmiques et les antennes de Yagi,

ce qui -permet de réduire le volume occupé par de telles antennes.

Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limi-

tée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés ici

mais qu'elle en englobe toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS

1.- Antenne comprenant au moins un élément, caractérisée en

ce que ledit élément comporte une pluralité de segments (141, 142...

146), chacun de ces segments étant constitué d'un conducteur coa-

xial et en ce que lesdits segments sont reliés en série de telle manière que le conducteur interne (1) de l'un des segments soit connecté au conducteur externe (3) du segment adjacent et que le *conducteur externe (3) d'un segment soit connecté au- conducteur

interne (1) de l'autre segment.

2.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits segments (141... 146) est de forme rectiligne,

en ce que ledit élément d'antenne est replié aux points respec-

tifs de liaison des différents segments et en ce que lesdits seg-

ments sont connectés en parallèle.

3.- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que

- lesdits segments sont disposés dans un plan.

4.- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que

lesdits segments sont disposés sur une surface cylindrique.

5.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie au moins desdits segments sont de forme courbe, en ce que ledit élément d'antenne est recourbé aux points respectifs de liaison des différents segments et en ce que ces derniers sont

disposés en parallèle.

6.- Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacun des autres segments est replié en forme de V et en ce que lesdits segments sont enroulés en hélice sur la surface d'un

prisme triangulaire.

7.- Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacun des autres segments est replié en forme d'U et en ce que lesdits segments sont enroulés en hélice sur la surface d'un

prisme carré.

8.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que

lesdits segments sont recourbés selon des arcs circulaires et -

disposés en hélice sur une surface cylindrique.

9.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits segments sont recourbés selon des arcs circulaires,

en ce que ledit élément est replié aux points respectifs de liai-

son et en ce que -lesdits segments sont- disposés en parallèle sur

une surface cylindrique.